特高壓直流輸電工程直流分壓器動態特性及其引起的誤閉鎖機理研究
滕予非1，湯涌2，汪曉華1，陳剛1，劉耀2，張宏圖3
(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川省 成都市 610072;
2.中國電力科學研究院，北京市 海淀區 100192;
3.國網四川省電力公司，四川省 成都市 610072)
Mechanism Analysis of Error Block Caused by Dynamic Characteristics of
DC Voltage Divider in UHVDC
TENG Yufei1, TANG Yong2, WANG Xiaohua1, CHEN Gang1, LIU Yao2, ZHANG Hongtu3
(1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, Sichuan Province, China;
2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
3. State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610072, Sichuan Province, China)
ABSTRACT: In order to conduct mechanism analysis of error block caused by dynamic characteristics of DC voltage divider (DCVD) in UHVDC, transient breakdown process in DCVD secondary side is theoretically derived by means of transfer function derivation in the paper firstly. Theoretical results show that even primary side DC voltage remains unchanged after breakdown in DCVD secondary side, voltage measurement results also experience a transient process of hundred milliseconds before it returns to normal levels. Secondly, an accident of HVDC block caused by DCVD is analyzed. Response characteristics of control and protection system are studied, and HVDC error block mechanism is proposed. Thirdly, correctness of theoretical analysis is verified with PSCAD/EMTDC simulation, and some countermeasures for avoiding the accidents are proposed. Finally, analysis shows that there is no risk of HVDC error block on condition of breakdown in secondary side of inverter DCVD.[1]
KEY WORDS: HVDC; DC voltage divider; control and protection system; VDCOL; under-voltage protection
摘要：為研究直流分壓器暫態特性引發特高壓直流誤閉鎖的機理，首先求取了直流分壓器的傳遞函數。特別地，對其二次側放電回路擊穿后的暫態過程進行理論推導。分析表明，直流分壓器二次側放電回路擊穿后即使一次側直流電壓維持不變，電壓測量值也需經歷一個百毫秒級的暫態過程，方能恢復正常水平。其次，針對某特高壓直流因整流站直流分壓器異常引發閉鎖的實例進行分析，研究了特高壓直流整流側電壓指令測量異常的工況下，控制保護系統各環節的響應特性，闡明了該工況下直流電壓、電流異常降落的原因，揭示了直流誤閉鎖機理。第三，基于PSCAD/EMTDC的仿真驗證了理論分析的正確性，進而有針對性地提出了反事故措施建議，并利用仿真結果驗證了措施的有效性。最后，對逆變站直流分壓器二次側放電回路擊穿后暫態特性的分析表明，逆變站直流分壓器二次側放電管擊穿短路不會導致直流系統控制保護系統異常響應，甚至發生閉鎖事故。
關鍵詞：高壓直流;直流分壓器;控制保護系統;VDCOL;欠壓保護
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.09.010
0 引言
多年的技術開發和運行經驗表明，我國在超特高壓直流輸電技術領域雖已達到國際領先水平[1-4]，
然而在直流輸電系統設計、設備制造和控制保護系統性能等方面仍然存在部分缺陷，對直流輸電系統安全運行造成威脅[5-7]，甚至成為兩端交流電網安全運行的隱患[8-10]。
直流分壓器是特高壓直流輸電系統電壓量測量的重要設備[11]，其測量結果直接作用于直流系統控制閉環，與直流輸電運行的可靠性密切相關[12]。2015年9月西南某±800 kV特高壓直流工程的送端換流站在強雷暴天氣下，雙極直流母線分壓器二次側同時出現了瞬時過電壓，并導致氣體放電管擊穿，最終引起直流雙極閉鎖，損失功率5400 MW，引起學術界和工業界的廣泛關注。
運行實踐表明，直流分壓器測量異常影響直流正常運行的事件并不罕見。文獻[13]針對復奉直流兩側換流站直流分壓器在陰雨、霧霾天氣下二次側電壓異常跳變的情況，分析了直流分壓器工作原理以及其內部電阻發熱、外部電場畸變等問題，提出直流分壓器設備優化設計的方法。文獻[14]針對高肇直流出現的電壓異常波動問題進行了分析，確認事故原因是直流分壓器光電轉換模塊工作不穩定，進而影響了直流系統的調制功能。類似事件在四川德陽—寶雞超高壓直流工程也曾發生[15]。文獻[16]結合現場實測波形，通過PSCAD/EMTDC仿真分析定性確定了直流分壓器內部不同故障點所引起的電壓變化規律，并給出相關反事故措施建議。然而，以上文獻大多關注直流分壓器故障后特高壓直流異常動作的結果，沒有對直流分壓器故障的暫態過程進行理論推導，也未對次暫態過程中特高壓直流控制保護系統控制行為以及直流工程的響應行為進行細致的分析。
基于此，本文在對直流分壓器傳遞函數進行理論推導的基礎上，針對2015年9月某±800 kV特高壓直流工程閉鎖的實例，通過理論及仿真相對比的方法，詳細分析了整流側直流分壓器二次側回路擊穿引發誤閉鎖的機理，并初步探討了相應的反措建議。同時，考慮到整流側與逆變側控制保護邏輯的區別，還利用仿真模型分析了逆變側直流分壓器二次回路擊穿后直流系統運行特性，得出了相應的結論。
1 直流分壓器結構及動態響應特性
1.1 直流分壓器結構與傳遞函數
特高壓換流站所采用的直流電壓分壓器結構如圖1所示。由圖1可知，直流分壓器利用阻容分壓的原理實現雙級變壓，第1級將800 kV一次電壓降低至70 V并引入平衡模塊。平衡模塊中裝設了氣體放電管，對二次系統進行保護。在后續分壓模塊中，70 V輸入電壓又將變化至5 V，并經過隔離放大器后輸入控保系統。
圖1 特高壓直流輸電工程直流分壓器結構
Fig. 1 Structure of DC voltage divider in UHVDC
忽略第2級的分壓模塊，可以得到直流分壓器的等效電路如圖2所示。圖中元件參數是來自某實際特高壓直流工程。
圖2 特高壓直流輸電工程直流分壓器等效電路
Fig. 2 Equivalent circuit of DC voltage divider in UHVDC
利用基爾霍夫定律對圖2所示的直流分壓器等效電路進行分析，可以得到輸出電壓U2與直流電壓U1間的微分方程關系如式(1)所示。
(1)
式中：R1、R2分別為直流分壓器高壓橋臂與低壓橋臂的等值電阻;C1、C2分別為直流分壓器高壓橋臂與低壓橋臂的等值電容;u1、u2分別為一次側直流電壓以及分壓器二次側電壓。
對式(1)進行拉普拉斯變換，可得到直流分壓器的傳遞函數為
(2)
式中
、
分別是
、
在0時刻的初始值。
1.2 直流分壓器暫態響應特性分析
針對直流分壓器正常運行，以及誤閉鎖過程出現的幾種工況，可從以下3種工況分析直流分壓器的暫態響應特性。需要說明的是，由于過電壓后氣體放電管絕緣恢復時間極短，以下分析中將近似認為放電管絕緣在擊穿后瞬間得以恢復。
1.2.1 直流正常解鎖期間直流分壓器暫態特性
該工況下，
、
在0時刻的初始值滿足
，設定在0時刻，
施加了幅值為VD的階躍激勵，由此可以得到在此過程中，
的暫態響應滿足：
(3)
由上式可知，雖然
在0時刻的初始值為0，但是在阻容分壓回路的作用下，一旦
施加了幅值為VD的階躍激勵，
的電壓會突然升高，滿足：
(4)
該初始電壓通過一階動態響應，逐漸變化至穩態值：
(5)
由式(4)(5)可知，當直流分壓器設計合理時，阻容分壓回路完全匹配，即滿足
(6)
電壓階躍響應的初始值與穩態值幾乎相等，可以認為直流分壓器未經過暫態過程直接進入穩態，暫態響應過程極短。
1.2.2 低壓臂瞬時擊穿后直流分壓器暫態特性
該工況下，由于低壓臂短路，
在0時刻的初始值滿足
，但一次系統電壓0時刻的初始值卻等于直流系統額定電壓，即
。考慮整個過程中，
維持幅值為VD的直流電壓，由此可以得到在此過程中，
的暫態響應滿足：
(7)
由上式可知，在直流分壓器低壓臂短路恢復瞬間，由于低壓臂電容的充電過程，
的電壓依然保持為0，即
(8)
該初始電壓通過一階動態響應，逐漸變化至與式(4)相同的穩態值。
同時，由式(6)，根據圖2所示參數，在此工況下分壓器回路的時間常數τ滿足：
(9)
由此可見，在直流分壓器低壓臂被瞬時擊穿后，即使一次側直流電壓維持不變，電壓測量值也需經歷一個百毫秒級的暫態過程，方能恢復正常水平。表1給出了當一次側直流電壓保持1.0 pu不變時，分壓器低壓臂被擊穿后，測量電壓值恢復到
0.35 pu(欠壓保護整定值)、0.7 pu(VDCOL環節整定值)以及結束過渡過程時間。
表1 暫態過程時間計算
Tab. 1 Transient time calculation
時刻經歷時間/ms
恢復到0.35 pu(高于欠壓保護整定值)68.5
恢復到0.7 pu(高于VDCOL上限整定值)191
結束暫態過程477
1.2.3 直流分壓器低壓臂瞬時擊穿且一次側直流電壓瞬時跌落后分壓器暫態特性
該工況下，
在0時刻的初始值滿足
，但一次系統電壓0時刻的初始值卻等于直流系統額定電壓，即
。為突出特點，忽略一次側電壓的跌落過程，考慮從0時刻起，
直流電壓降低至為kVD(k<1)，由此可以得到在此過程中，
的暫態響應滿足：
(10)
由上式可知，由于直流分壓器二次側瞬時擊穿，且0+時刻一次側直流電壓也由VD降低為kVD，則低壓臂電壓
在0時刻的初始值將變為：
(11)
由于k<1，因此該時刻低壓臂測量直流電壓為負值。該初始電壓通過一階動態響應，逐漸變化至穩態值：
(12)
同樣，可以算得該分壓器回路的時間常數依然滿足表達式(9)。
1.3 直流分壓器暫態響應仿真
利用PSCAD構建圖2所示的直流分壓器電路，根據前文分析，設置以下3種不同的工況。
工況1：為模擬直流正常解鎖期間直流分壓器的暫態響應，設置t=0.3 s時，U1處施加800 kV階躍電壓。0.3 s前C1、C2均未充電。
工況2：為模擬直流分壓器低壓臂短路恢復后直流分壓器的暫態響應，設置U1一直施加800 kV直流電壓，t<0.3 s時低壓側阻容C2、R2被短路，t=0.3 s
時短路點斷開。
工況3：為模擬直流分壓器低壓臂短路恢復同時直流一次側系統電壓降低后直流分壓器的暫態響應，設置U1一直施加800 kV直流電壓，t<0.3 s時低壓側阻容C2、R2被短路，t=0.3 s時短路點斷開，同時t=0.31s時U1電壓由800 kV降低至400 kV。
可以得到，以上3種工況下PSCAD仿真得到的電壓U2如圖3所示。
圖3 3種工況仿真結果
Fig. 3 Simulation results for three operation conditions
由圖3可知，在直流系統一次回路充電瞬間，直流分壓器二次側可以即時響應。然而，在直流分壓器低壓臂被瞬時擊穿后，即使一次側直流電壓維持不變，電壓測量值也需經歷一個百毫秒級的暫態過程，方能恢復正常水平。此時，如果一次側直流電壓同時出現了快速跌落，直流電壓測量值還可能出現負值。該仿真結果與之前分析一致，驗證了理論分析的正確性。
2 整流站直流分壓器二次側放電回路擊穿導致特高壓直流誤閉鎖分析
2.1 特高壓直流誤閉鎖事件描述
2015年9月19日，西南某特高壓直流工程極I雙閥組、極II高端閥組大地回線全壓5400 MW運行。21:58:00，特高壓直流監控系統報出“線路故障欠壓保護動作”，極I、極II相繼閉鎖。事件的故障錄波如圖4所示。
由圖4可知，當直流分壓器二次側擊穿瞬間整流站直流測量值突變到零。隨后，由逆變側波形可知直流電壓電流均出現了大幅下降，整流站直流測
圖4 故障錄波
Fig. 4 Fault record wave
量值出現了負值。擊穿90 ms后換流器觸發角強制移相，直流輸電系統喪失功率傳輸能力。
同時，由圖4還可看出在整流側直流測量值突變為0的瞬間，雖然極I直流電壓測量值發生了突變，但直流控制觸發角以及直流電流均保持恒定，該事件發展過程與直流一次系統短路、斷線等故障后的發展過程完全不同。因此可以判定此次過程中，直流一次系統未發生任何擾動，直流電壓突變是由于測量系統故障導致的。
2.2 特高壓直流誤閉鎖事件過程分析
根據事件發生的過程，可將事件發展過程描述為以下4個階段，其中階段1—3在圖4中分別由區域(1)(2)(3)表示。
1)階段1：控制系統未動作，直流系統正常運行階段。
如圖4中區域(1)所示，該階段從直流分壓器氣體放電管擊穿開始，至VDCOL環節發揮作用結束，持續時間約為5~6 ms。由于該階段持續時間不到直流分壓器二次側時間常數的4%。因此直流電壓測量恢復值低于0.1 pu。
然而，根據特高壓直流輸電工程控制保護系統，直流電壓的測量值將通過一個15 ms的一階慣性環節，方才輸入VDCOL環節。因此即使一次電壓出現了從800 kV到0 kV的階躍響應，VDCOL的輸入電壓依然需要經歷時間t后，方可輸出低于VDCOL開始限流的整定值。其中：
(13)
因此，在此期間，所有控制環節均未動作。直流系統保持正常運行。
2)階段2：VDCOL動作，直流系統電流電壓同時跌落。
如圖4中區域(2)所示，該階段從直流控保系統VDCOL動作開始，至保護發出觸發角移相結束，持續時間約為86 ms。
由式(7)和表1可知，該階段由于整流側電壓測量值一直沒有恢復，整流站VDCOL環節開始降低電流指令。由圖4可知，整流站VDCOL環節在18 ms
內將直流電流指令由1.0 pu降低至0.345 pu。
然而，在整流側電流指令下降期間，由于逆變側直流電壓依然保持1.0 pu，逆變側電流指令值完全沒有變化，仍然保持為0.9 pu的狀態。因此在直流分壓器二次側回路擊穿后7.8 ms，整流站電流指令降低至0.9 pu以下，從而出現了整流站電流指令低于逆變站電流指令的情況。
圖5給出了該運行工況下直流輸電的控制特性。由圖可知由于導致整流側電流指令小于逆變側直流工程沒有穩定運行點，逆變側為提升直流電流不斷降低逆變側觸發角α，而整流側為降低直流電流也在不斷升高整流側觸發角α，兩側控制系統對觸發角的調節均導致一次系統直流電壓出現快速下降。
圖5 本次異常情況下直流輸電控制特性示意圖
Fig. 5 Control characteristics of HVDC in
such abnormal condition
由圖4可示逆變站錄波表明，在控制系統的作用下，極I直流系統電壓在70 ms內降低至334 kV左右。在低壓臂充電過程以及一次系統電壓降低共同作用下，由式(8)可知，直流分壓器低壓臂上測得的電壓出現了負值，由圖4(a)錄波可知，極I電壓最低側到了-383 kV，而極II則最低達到了-155 kV。
一次系統電壓降低的另一個效果是延長了測量電壓恢復至0.35 pu的時間，增加了欠壓保護誤動的可能性。
3)階段3。直流保護動作，發出重啟指令，觸發角移相。
如圖4中區域(3)所示，該階段是從特高壓直流整流側欠壓保護動作開始的。欠壓保護的原理是當直流線路發生故障時，直流電壓無法維持額定，會出現大幅度降低。通過對直流電壓的檢測，如果發現直流電壓低于整定值，并持續一定的時間，同時沒有發生交流系統故障、也沒有發生換相失敗，判斷為直流線路故障。
其具體判據為
(14)
UDL_set全壓時為0.35 pu，降壓時為0.25 pu。由于直流線路欠壓保護為后備保護，因此動作前需延時80~90 ms。根據直流控保邏輯，直流線路欠壓保護的動作結果是啟動線路重啟邏輯。
在本次事件中，由于直流分壓器二次側放電回路擊穿同時一次系統電壓在控制系統異常響應情況下快速下降，因此整流側直流測量電壓跌落后一直沒有恢復至0.35 pu，因此在整流側直流分壓器二次側擊穿后90 ms，欠壓保護動作。
4)階段4。重啟指令消失，直流雙極Y閉鎖。
欠壓保護動作觸發的是直流重啟動邏輯，因此，若整流站單極直流分壓器二次回路擊穿后，直流能正常重啟動，根據式(2)，直流工程可恢復正常運行。
然而根據現有特高壓直流重啟動策略，當特高壓直流雙極運行時，若故障極功率在2000 MW以上，則原壓再啟動2次，同時閉鎖另一極的再啟動功能5 s。由圖4可知，本次事件中由于雙極直流分壓器二次側幾乎同時被擊穿(相隔時間小于1 ms)，導致雙極線路的欠壓保護同時動作，互相閉鎖了對極的線路重啟功能，因此造成了雙極立即閉鎖。
2.3 特高壓直流誤閉鎖事件仿真分析
根據本次發生閉鎖事件的特高壓直流一次設備以及實際控制保護系統框架[16]，在PSCAD/
EMTDC中構建直流系統電磁暫態仿真模型。
設置
，整流站直流分壓器二次側瞬時短路,得到暫態過程中極I直流測量電壓、極I直流實際電壓、極I直流電流以及極I整流側觸發角仿真波形如圖6所示。
圖6 整流側直流分壓器二次側擊穿事件仿真結果
Fig. 6 Simulation results on condition of breakdown in secondary side of rectifier DCVD
對比圖4和圖6可知，仿真波形與實際錄波基本一致，從而驗證了分析模型的有效性。
同時結合仿真波形，可以總結得到直流工程在響應期間的暫態特性如下：
1)當特高壓整流站直流分壓器二次側放電回路被瞬時擊穿后，由于整流站直流電壓測量異常將導致VDCOL環節誤動，降低整流側電流指令。然而，由于逆變站測量電壓未發生變化，逆變側電流指令依然保持0.9 pu。
2)由于整流側VDCOL環節誤響應，使得特高壓直流出現了整流站電流指令低于逆變站電流指令的情況，在此工況下直流工程沒有穩定運行點，兩側控制系統對觸發角的調節均導致一次系統直流電壓出現快速的下降。在低壓臂充電過程以及一次系統電壓降低共同作用下直流分壓器低壓臂上測得的電壓出現了負值。
3)與行波保護以及微分欠壓保護不同，特高壓直流線路欠壓保護動作判據中沒有配置電流突變量判據，因此當特高壓整流站直流分壓器二次側放電回路瞬時擊穿后，由于直流電壓測量值異常，易導致欠壓保護誤動。
上述3點結論與第2.2節的分析完全一致，印證了理論分析的正確性。
2.4 初步反措建議
根據直流分壓器二次側放電回路擊穿導致特高壓直流誤閉鎖機理，初步提出如下反措建議：
1)將放電管等短路型保護器件，更換為壓敏電阻等穩壓型保護器件，并合理選擇保護元件殘壓，使其應滿足不同運行條件的要求。
2)優化特高壓直流輸電重啟策略，在雙極同時故障期間，依然能夠保障功率較高的一極能夠重啟成功，提高直流工程功率傳輸的可靠性。
3)優化特高壓欠壓保護閉鎖條件，引入直流電流信息或對站電壓信息作為閉鎖量，防止類似情況下保護誤動。
在采取上述措施后，依然在PSCAD/EMTDC直流系統電磁暫態仿真模型中，設置
時整流站極I極線上直流分壓器二次側瞬時擊穿。由于，將分壓器二次側的放電管更換為殘壓約為50 V的壓敏電阻，擊穿后分壓二次側電壓由70 V僅下降至50 V左右。在此工況下，可以得到仿真波形如圖7所示。
由圖7所知，換上殘壓在50 V左右的壓敏電阻后，在分壓器二次側被擊穿的瞬間，直流系統的測量電壓依然會出現瞬間下降，并通過一個較長的
圖7 反措效果校核
Fig. 7 Verification of the effect of the suggestion
暫態過程才能恢復正常。但是，由于直流電壓下降幅度有限，沒有達到VDCOL和各類保護的動作限制，直流系統正常運行，實際直流電壓、電流沒有出現明顯擾動。由此可見，本文提出的反措建議是有效的。
3 逆變站直流分壓器二次側放電回路擊穿后暫態特性分析
利用上文構建的特高壓直流輸電系統PSCAD仿真模型，可以對逆變站直流分壓器二次側放電回路擊穿后特高壓直流系統的暫態特性進行仿真，得到的仿真波形如圖8所示。
圖8 逆變側直流分壓器二次側擊穿事件仿真結果
Fig. 8 Simulation results on condition of breakdown in secondary side of inverter DCVD
由圖8可知，逆變側直流分壓器二次側放電管擊穿短路后，分壓器低壓臂依然出現了較長時間的充電過程，逆變側直流電壓測量值在較長時間內測量不正確。在此過程中，逆變側的電流指令也由于VDCOL環節的作用開始下降。
然而，逆變側的電壓控制環節僅在電壓測量值高于指令值時發揮作用，而電流放大器則僅在電流測量值低于指令值時發揮作用[15]。因此，此次事件中，由于電壓測量值一直低于指令值，而電流測量值則一直高于指令值，因此直流輸電控制系統輸出的觸發角一直沒有改變，直流系統穩定運行。
同時，由于特高壓直流逆變側應具備無壓運行15 min的能力，因此逆變側不會裝設欠壓保護，因此特高壓直流沒有保護誤動導致閉鎖的風險。
由此可見，特高壓直流逆變站直流分壓器二次側放電管擊穿短路后，在分壓器二次側電容充電期間，如無其他故障，特高壓直流不存在由于控制保護異常響應導致誤閉鎖的風險，直流穩定運行。
4 結論
本文針對2015年9月某特高壓直流在直流分壓器二次回路擊穿后導致誤閉鎖事故為實例，研究了特高壓直流輸電工程直流分壓器動態特性及其在二次側放電回路擊穿后引起的特高壓直流誤閉鎖機理，得到了如下結論：
1)理論分析與仿真結果表明：在直流系統一次回路充電瞬間，直流分壓器二次側可以即時響應。然而，在直流分壓器低壓臂被瞬時擊穿后，即使一次側直流電壓維持不變，電壓測量值也需經歷一個數百毫秒級的暫態過程，方能恢復正常水平。在此過程中，如果一次側直流電壓還出現了快速跌落，直流電壓測量值還可能出現負值。
2)當特高壓整流站直流分壓器二次側放電回路被瞬時擊穿后，由于整流站直流電壓測量異常將導致VDCOL環節誤動，降低整流側電流指令。同時，由于整流側VDCOL環節誤響應，使得特高壓直流出現了整流站電流指令低于逆變站電流指令的情況，在此工況下直流工程沒有穩定運行點，兩側控制系統對觸發角的調節均導致一次系統直流電壓出現快速的下降，易導致欠壓保護誤動。
3)特高壓直流逆變站直流分壓器二次側放電管擊穿短路后，在分壓器二次側電容充電期間，如無其他故障，特高壓直流不存在由于控制保護異常響應導致誤閉鎖的風險，直流穩定運行。
4)針對直流分壓器動態特性導致直流誤閉鎖的機理提出了3點反事故措施建議，仿真結果表明以上措施可以有效避免分壓器在二次側擊穿情況下特高壓直流誤閉鎖風險的再次發生。
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